｜降低颱風下風力機負載的葉片旋角控制

摘要：本文主要探討風力發電機面對颱風氣候下的因應對策。從國際標準與測試認證規範對於颱風設計的探討，到風力機結構在颱風下所承受負載的控制策略分析；針對颱風風況下風力發電機的極限負載，透過葉片控制技術之效果模擬分析，進行負載分析研究。

Abstract: This article introduces an operational strategy to the wind turbine under Typhoon weather condition. From the viewpoint of the revision of the wind turbine international standard and the operational strategy analysis to the wind turbine structure, the ultimate load of a wind turbine under extreme wind conditions has been investigated. A novel pitch control technology to mitigate ultimate load is introduced.

關鍵詞：風力發電機、風力機控制、旋角控制器、颱風

Keywords：Wind turbine, Wind turbine control, Pitch control, Typhoon

前言
台灣四面環海綿延不絕的海岸線，雖然颱風對風能的開發造成了很大的威脅，但卻不能停止開發海上風電趨勢，海上豐富的風能資源和廣闊平坦的區域，從而使海上風力發電技術成為技術發展趨勢。面對颱風侵襲未來廣大離岸風力發電市場首要面臨的困難就是海上風能資源儲量遠大於陸地風能，而且距離西岸電力主要供應區較近。但目前海上風電開發的最大考量就是風力機的可靠度與和安全性，而亞洲地區的颱風形成一個不確定因素，因此抗颱風新型風力機發展成為未來風力機發展上的一個關鍵考量。

從國際電工協會IEC（International Electrotechnical Commission）國際標準風力機規範的需求來看，最高等級（Class I）的機種規格，理論上風力機組的最大承受風速需達70 m/s（3秒鐘平均陣風）與50 m/s（10分鐘平均風速），而一般我們所謂的12級颶風的平均風速其實不過34 m/s；從這角度來看風力機組應該是可以在一般所見颱風極端風況中運轉。然而過去卻仍然發生了一些颱風對於風力機造成的損害事故。像是2008年台中港區風力發電機卻不敵薔蜜颱風瞬間陣風造成發電機攔腰折斷機艙及三支葉片嚴重毀損損失高達上億元，為全國第一座遭強風吹落的風力發電機。台電查出倒塌前該風力機最後一筆平均風速56 m/s，約瞬間陣風十五級風，推測當時瞬間陣風應超過70 m/s的十七級強風或亂流。2003年13號颱風杜鵑，2006年1號颱風珍珠和8號颱風桑美分別造成了中國廣東汕尾紅海灣風電場，南澳風電場和浙江蒼南鶴頂山風電場的風機嚴重損毀，風機上的風速計最後測得之風速超過80m/s。全球知名案例，日本宮古島於2003年遭受梅米颱風侵襲，造成3座風力機倒塌以及4座風力機組重大損害，紀錄顯示當時風速超過70 m/s，也就是說，超過規範設計的極限。這些風力機的災害顯示颱風對於風力機還是一個需要謹慎考量的威脅，否則動輒就是上億的損失。

面對颱風的威脅，國際標準與認證單位也注意到這樣的問題。目前普遍被全球風電市場所採用的規範，包含前面所提的IEC以及德國船級認證單位GL（Germanischer Lloyd）都陸續提出規範修正的想法，希望針對颱風這樣的特殊天候，制定專屬的設計要求與準則，納入到正式的風力機規範中，以作為風力機製造商設計風力機時的參考依據。IEC有關風力機的標準目前是在編號IEC 61400系列中，其中61400-1主要是描述跟風力機有關的主要設計規範，IEC於這個項目下設有技術委員會（Technical Committee 88, TC88）與維護小組（Maintenance Team 01, MT01）來持續修訂或加入新的規範或需求等工作。MT01目前正著手修訂IEC 61400-1第三版的內容，未來第四版將有諸多更新，其中一個項目就包含了將颱風氣候納入負載設計時的設計需求中。從下列表1可以看到，這是目前MT01的日本代表根據其國家的相關實測數據統計後所提出的想法，希望在現有的最高等級I之外，再增加一個颱風等級（Class T），其極限風速為57.5 m/s。除此之外，在紊流等級也增加了一個針對複雜地形設計的高紊流值H（0.18）。雖然這個表格中的數據只是日本方面的提案，未來委員會中的各國專家仍需討論其合適性與合理性。但至少我們可以觀察到，國際上對於風力機面對颱風所需要進行設計上的調整已經進入到正式規範的階段，以避免發生規範認證通過卻機組損壞的問題。

相對於設計規範，如果從風力發電機組控制系統的原理與控制的目的來說，當風力機處於強風狀態時，會自動調節葉片降低能量截取，盡量使葉片與風向平行，這樣葉片受到風的作用力達到最低，因而消除風能所造成結構的破壞。但風力發電機在颱風中損毀的實例，說明了在颱風天的狀態下，可能由於颱風動態特性的多變，導致對風力機組結構產生超出設計預期的負載，除了透過規範重新制定設計需求外，風力發電機的控制技術對於提供極限風況降低負載的效果也可能還有改善的空間。本文從一些初步模擬也觀察到負載的確可以降低，因此後續將針對控制技術來說明可能的做法與初步結果。